TWI522530B - 熱磁引擎與熱磁引擎系統 - Google Patents

熱磁引擎與熱磁引擎系統 Download PDF

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TWI522530B
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劉玠成
徐懋仁
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Description

熱磁引擎與熱磁引擎系統
本揭示內容是有關於一種熱磁引擎及系統，且特別是有關於一種具有鰭片結構的熱磁引擎及系統。
自從幾次石油危機以及核能災變之後，人們開始積極尋找各種替代能源，主要目標便在找出可以永續利用且低污染的替代能源。常見的替代能源包含生物質能(生質燃料)、地熱、太陽能、風力、潮汐、海水溫差發電...等。其中，又以能重覆利用的再生能源最為大家期待。
其中，利用溫度差(或溫度梯度)來產生或轉換電能或機械能，算是其中一種廣受討論的再生能源實現方式，其可利用海水溫差、不同溫度的工作流體或環境溫度來實現溫度差進而產生或轉換能量。
熱磁引擎的運作基礎主要是基於一種工作材料(working material)或工作元件(working element)的材料特性。其中，工作材料的導磁率會隨著環境溫度的變化而改變，工作材料的導磁率會在某一溫度範圍有著顯著的變化，此處所謂某一溫度範圍或一特定溫度我們稱之為居禮溫度(Curie temperature,Tc)，而一階(first order)工作材料在居禮溫度附近的導磁率變化程度又甚於相同條件下二階(Second order)工作材料的導磁率變化程度。進而，熱磁引 擎或稱居禮馬達(Curie motor)者，則是利用此一工作材料在居禮溫度的導磁率變化的特性，間接將環境熱能轉變為機械能或其他能源的一種裝置。
熱磁引擎即是應用一外加磁場於工作材料製成的工作環上，利用外界提供的熱源及/或冷源使磁場處的工作材料產生一溫度梯度(溫度變化範圍涵蓋居禮溫度Tc更佳)，因而使工作材料產生不同的導磁率變化，造成工作環上不同區域的磁場分布不均勻，故於磁場中產生磁力矩變化造成工作環轉動，此處工作環例如是樞設於一架體。利用前述工作環轉動效果及特定的傳動裝置將工作環轉動的動能導出，便完成將溫差轉變為機械能的流程；若傳動裝置與電梳之類的裝置連接，更可進一步將動能轉換成電能。
一般來說，熱磁引擎的熱/冷源往往是利用工作流體(如海水、河水、泉水、自來水...等)，將產熱/冷處的溫度帶至熱磁引擎所指定之部位(如含有工作材料的可轉動部份)。可利用幫浦、高低落差之重力或各種方式帶動工作流體，待工作流體流動至熱磁引擎處時，再與熱磁引擎中的工作材料進行熱交換。然而，上述方式僅只利用到兩工作流體之間的溫度差，忽略了工作流體流經熱磁引擎時亦帶有一定程度之動能或位能，降低整體能源轉換量。
為了解決上述問題，本發明提出一種熱磁引擎及其系統，其中熱磁引擎中包含有鰭片結構，設置在轉動件上， 當工作流體流經轉動件時，不僅因溫度差使含有工作材料的轉動件受磁力影響開始轉動，同時也因為工作流體流動時所帶有的動能或位能，使鰭片結構基於工作流體之動能或位能，帶動轉動件沿旋轉方向旋轉。如此，便可更加且全面性地利用工作流體所具有的各種能量。
因此，本發明內容之一態樣是在提供一種熱磁引擎，其包含固定件、轉動件、第一工作流體以及鰭片結構。轉動件包含工作材料，轉動件可相對固定件旋轉。第一工作流體流經轉動件並使工作材料產生溫度差，帶動轉動件沿旋轉方向旋轉。鰭片結構設置於轉動件上，當第一工作流體流經轉動件時，鰭片結構用以基於第一工作流體流動，帶動轉動件沿旋轉方向旋轉。
根據本發明之一實施例，熱磁引擎更包含磁性元件，磁性元件設置於固定件上並用以建立一磁場，磁場的磁力線通過該工作材料。
根據本發明之一實施例，該工作材料包含第一部份以及第二部份，該第一工作流體之第一溫度異於環境之第二溫度，該第一工作流體流動至該工作材料之該第一部份，使該工作材料之該第一部份與該第二部份之間形成該溫度差。
根據本發明之一實施例，熱磁引擎更包含第二工作流體，其中該工作材料包含第一部份以及第二部份，該第一工作流體流動至該工作材料之該第一部份，該第二工作流體流動至該工作材料之該第二部份。
根據本發明之一實施例，其中該第一工作流體之第一 溫度與該第二工作流體之第二溫度相異，藉此使該工作材料之該第一部份與該第二部份之間形成該溫度差。
根據本發明之一實施例，其中該工作材料之一導磁率於一臨界溫度區間明顯改變，該第一溫度與該第二溫度分別位於該臨界溫度區間以外之兩側。
根據本發明之一實施例，其中該轉動件包含一轉動軸，該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片由該轉動軸之至少一側表面上延伸設置，該等鰭片與該第一工作流體流經該轉動件之一流道方向夾一特定角度。
根據本發明之一實施例，其中該轉動件包含一轉動框以及一轉動軸，該轉動軸與該轉動框連動並樞接於該固定件上。
根據本發明之一實施例，其中該鰭片結構可進一步包含複數個鰭片，該等鰭片由該轉動框之至少一側表面上延伸設置，該等鰭片與該第一工作流體流經該轉動件之一流道方向夾一特定角度。於一實施例中，該特定角度為大致夾90度。
根據本發明之一實施例，其中該轉動框包含一內環以及一外環，該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片分別連接於該內環與該外環之間，該等鰭片與該第一工作流體流經該轉動件之一流道方向夾一特定角度。於一實施例中，該特定角度為大致夾45度。
根據本發明之一實施例，其中該轉動件包含複數個轉動框以及一轉動軸，該轉動軸大致通過該等轉動框之一中心點並依序與該等轉動框連接，該轉動軸樞接於該固定件 上，該第一工作流體依序流經該等轉動框，該鰭片結構設置於該等轉動框上。於一實施例中，其中該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片分別設置於該等轉動框上。於一實施例中，其中該等轉動框至少一部份由工作材料製成，該等轉動框之該等工作材料各自具有相異的臨界溫度區間。
根據本發明之一實施例，其中該鰭片結構經一抗腐蝕處理。
根據本發明之一實施例，熱磁引擎更包含複數個線圈、複數個整流子以及至少一電刷，其中該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片分別由該工作材料製成，該等線圈分別纏繞於該等鰭片上且分別與該等整流子電性連接，該電刷設置於該固定件上。
本發明內容之另一態樣是在提供一種熱磁引擎系統，其包含複數個熱磁引擎以及第一工作流體，該等熱磁引擎依序設置於一流道上，其中每一熱磁引擎包含固定件、轉動件、以及鰭片結構。轉動件包含一工作材料，並可相對該固定件旋轉。鰭片結構設置於該轉動件上。第一工作流體在該流道內流動並依序流經該等熱磁引擎之該等轉動件並使該等工作材料具有溫度差，帶動該等轉動件沿一旋轉方向旋轉，其中該鰭片結構用以基於該第一工作流體之流動，帶動該熱磁引擎之該轉動件沿該旋轉方向旋轉。
根據本發明之一實施例，其中該轉動件進一步包含複數個轉動框以及一轉動軸，該轉動軸大致通過該等轉動框之一中心點並依序與該等轉動框連接，該轉動軸樞接於該固定件上，該第一工作流體依序流經該等轉動框，該鰭片 結構分別設置於該等轉動框上。
根據本發明之一實施例，其中該等轉動框至少一部份由該工作材料製成。
根據本發明之一實施例，其中該等熱磁引擎的該轉動件的至少一部份設置於該流道中，使該第一工作流體流經該轉動件的至少一部份。
根據本發明之一實施例，更包含第二工作流體在該流道外流動，當該第一工作流體流經該轉動件的至少一部份時，該第二工作流體流經該轉動件的其他部分。
根據本發明之一實施例，其中該第一工作流體與該第二工作流體具有溫度差。
根據本發明之一實施例，其中該第一工作流體與第二工作流體為水性液體、油性液體、沙或氣體。
於本發明中熱磁引擎的轉動件上設置有鰭片結構，當工作流體流經轉動件時，使鰭片結構基於工作流體流動時之動能或位能，帶動轉動件沿旋轉方向旋轉。如此一來，便可更加且全面性地利用工作流體所具有的溫度差以及動能或位能，增加整體能源轉換效率。
請參閱第1圖，第1圖為一側視示意圖繪示根據本發明之第一實施例中一種熱磁引擎100其內部的主要結構。如圖所示，熱磁引擎100包含固定件120(於此例中固定件120包含低溫工作流體(Lc)饋入端120a、高溫工作流體(Lh)饋入端120b以及磁性固定軛122)、可相對轉動的轉動件 140(於此例中轉動件140包含轉動框142、連接部144以及轉動軸146)，以及設置於轉動件140上的鰭片結構160(於此例中鰭片結構160沿轉動框142外側環設)。轉動件140以轉動軸146為轉動中心軸點可相對固定件120進行旋轉。
於此實施例中，轉動件140包含工作材料，例如，轉動框142可直接由工作材料製成，但本發明並不以此為限。舉例來說，轉動框142亦可為至少一部份由工作材料製成(例如沿著轉動框142外緣的一定厚度之範圍包含工作材料、或沿轉動框142的不同相位角度之各個圓弧部位上交替使用工作材料及其他一般材料等)。
於本發明中，固定件120包含一磁性元件，於此實施例中，磁性元件係包含於磁性固定軛122當中，磁性元件可為一暫時性的電磁鐵或永久性的磁石，於此實施例中，磁性元件設置於固定件120(磁性固定軛122)，磁性元件並用以建立磁場，該磁場的磁力線通過轉動框142上的工作材料。
於此實施例中，轉動框142由工作材料製成，低溫工作流體饋入端120a與高溫工作流體饋入端120b設置在轉動框142周圍且分別位為不同角度上，低溫工作流體饋入端120a導引具第一溫度的低溫工作流體Lc流過轉動框142之一區域，而高溫工作流體饋入端120b導引具第二溫度的高溫工作流體Lh流過轉動框142之另一區域，低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh間之溫度為相異(在此實施例第一溫度<第二溫度)。於是便在轉動框142之工作材料上形成溫度差。如第1圖中，對應低溫工作流體饋入端120a處之 第一部份P1，該處對應之工作材料溫度較低，而對應高溫工作流體饋入端120b處之第二部份P2，該處對應之工作材料溫度較高，於是在轉動框142之第一部份P1與第二部份P2上之不同工作材料之間形成溫度差。
其中，因工作材料在不同溫度下具有不同導磁率，將使得低溫的第一部份P1之工作材料導磁率較高，在磁性固定軛122所建立的磁場作用下，經過第一部份P1之工作材料的磁力線較密集；而另一方面，高溫的第二部份P2之工作材料導磁率較低，使該磁場中通過第二部份P2之工作材料的磁力線較鬆散。藉此，在轉動框142上產生一磁力矩(變化或差異)驅動轉動框142沿旋轉方向RD1(由低溫部份往高溫部份之方向)旋轉。
於此實施例中，熱磁引擎100係設置有低、高溫兩組工作流體饋入端120a、120b，利用兩工作流體Lc、Lh之間的溫度差異，在轉動件140上不同位置形成溫度差。然而本發明並不以此為限，於另一實施例中，可進一步利用有更多組不同溫度工作流體，例如以低溫、高溫、低溫、高溫方式排列，形成更多段的溫度差。於再一實施例中，熱磁引擎亦可僅利用一組異於環境溫度(如室溫)的工作流體，利用工作流體(例如高溫工業廢水、或融化雪水等)與周圍環境之間的溫度不同，使轉動件140上有工作流體流過的部位與其他常溫部位之間形成溫度差。
需補充說明的是，因工作材料的導磁率於臨界溫度區間附近變化程度較明顯，因此在實際應用中，兩組工作流體(或是一組工作流體與環境溫度)的第一溫度與第二溫度 可設計位於工作材料其導磁率變化較大之臨界溫度(Tc)區間的兩側。如此一來，當工作材料的不同部份具有第一溫度至第二溫度的溫度差時，其導磁率的改變較為明顯，產生磁力矩(變化或差異)帶動轉動件140旋轉的力道也較大。
鰭片結構160設置於轉動件140上，於此實施例中，鰭片結構160係設置在轉動框142的外側表面上，鰭片結構160共包含轉動框142的外側表面上波浪狀排列的多個鰭片162。如第1圖所示，鰭片162由轉動框142之外側表面上向外延伸設置，於此例中，鰭片162的延伸方向分別與低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流經該轉動件140時之流動方向夾一特定角度，於此實施例中，鰭片162的延伸方向與流道方向大致夾90度。舉例來說，其間之特定角度亦可夾45度。
實際應用中，為了有較佳的熱交換效率，低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh經常須藉由幫浦加壓以高速流過轉動框142的表面。如此一來，當低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流經(甚至以高流速衝擊)轉動框142外側表面時，將分別推動轉動框142上的各個鰭片162(鰭片結構160)，鰭片結構160承受此流體流動之衝擊便具有動能或位能變化，便可帶動轉動框142及整個轉動件旋轉，此動能帶來的旋轉之方向可設計與磁力變化所造成的旋轉沿同一旋轉方向RD1，以加強工作流體整體帶來的旋轉效果(藉由磁力矩，及動能或位能帶動轉動框142)。
轉動軸146透過連接部144與轉動框142連接，實際應用中，轉動軸146可樞接於固定件120的樞接軸孔(未繪 示)或另外之樞接座(未繪示)上。轉動軸146可將轉動件140轉動時帶有的機械能傳動給其他的機械結構利用，或用來帶動發電機組以發電等。也就是說，透過額外鰭片結構160的設置，本發明的熱磁引擎100可整體利用到工作流體的溫度差以及動能變化。此外，鰭片結構160的設置可增加轉動框142與工作流體的總接觸面積，亦有助加速於熱能交換的速率。
然而，鰭片結構160的設置位置、設置方式、其與冷/高溫工作流體的相對方向關係，並不以上述第一實施例中的熱磁引擎100為限。請一併參閱第2圖，第2圖為一側視示意圖繪示根據本發明之第二實施例中一種熱磁引擎200其內部的主要結構。如圖所示，熱磁引擎200包含位置固定的固定件220(於此例中固定件220包含低溫工作流體饋入端220a、高溫工作流體饋入端220b以及磁性固定軛222)、可相對轉動的轉動件240(於此例中轉動件240包含轉動框242、連接部244以及轉動軸246)以及鰭片結構260。轉動件240以轉動軸246為轉動中心軸點，可相對固定件220進行旋轉。
於此實施例中，轉動件240中的轉動框242由工作材料製成。於本發明中，熱磁引擎200的磁性固定軛222當中包含磁性元件(如暫時性的磁鐵或永久性的磁石)，此磁性元件並用以建立磁場，磁場的磁力線通過轉動框242上的工作材料。
低溫工作流體饋入端220a、高溫工作流體饋入端220b 分別導引低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流過(甚至以高流速衝擊)轉動框242，並形成一溫度差，因轉動框242中的工作材料本身材料特性對應該溫度差產生磁性之變化或差異，進而使轉動框242因該磁力矩(變化或差異)而沿一旋轉方向RD2(由低溫部份往高溫部份之方向)轉動，此一機制的詳細內容與第一實施例大致相同，可類比參照本發明先前第一實施例的詳細說明，在此不另贅述。
需特別說明的是，於第2圖所繪示的第二實施例中，低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh沿垂直方向由高而低流過轉動件240中的轉動框242，於第二實施例中，鰭片結構260除了包含複數個傾斜式的鰭片262設置於轉動框242之外側表面上並向外延伸，更包含複數個傾斜式的鰭片264設置於轉動框242之內側表面上並向外延伸。此處的向外延伸是指在各側表面上之一延伸方向，故前述兩種傾斜式的鰭片262及264實際延伸方向不同，但本發明應不以此為限。
於第二實施例中，傾斜式的鰭片262、傾斜式的鰭片264與低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流過(甚至以高流速衝擊)轉動件240之流道方向夾一特定角度，此時該特定角度可為1~90度之間，亦即，鰭片與流體流動方向不為平行。舉例來說，鰭片262與低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流經轉動框242時之流道方向夾一特定角度，舉例來說，其間之特定角度可夾45度。如第2圖中，傾斜式的鰭片262、傾斜式的鰭片264與流道方向約夾10~15度。此時，低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流動時所帶來 的動能及位能將推動轉動框242上的鰭片結構260，使轉動件240沿同一旋轉方向RD2旋轉。
於第二實施例中，轉動件240不僅基於低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh所帶來的溫度差對工作材料造成之磁力矩而間接轉動，更可利用到低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh流動時所帶來的動能以及位能推動鰭片結構260，達到更佳的能量轉換效果。此外，鰭片結構260的設置可增加轉動框242與工作流體Lc及Lh的總體接觸面積，亦有助於加速於熱能交換的速率。
此外，請一併參閱第3圖與第4圖，其分別繪示本發明不同實施例中鰭片結構的設置位置、設置方式以及其與冷/高溫工作流體的相對方向關係。
第3圖為一側視示意圖繪示根據本發明之第三實施例中一種熱磁引擎300其內部的主要結構。如第3圖所示，熱磁引擎300的轉動框342包含內環342a以及外環342b，鰭片結構360包含複數個鰭片362，該等鰭片362分別連接於內環342a與外環342b之間，且鰭片362與低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流經轉動框342時之流道方向夾一特定角度，舉例來說，其間之特定角度可夾45度。
於此實施例中，轉動件340中的轉動框342的至少一部份可由工作材料製成，此外，該等鰭片362亦可含有工作材料或由工作材料製成。
於第三實施例中，轉動件340不僅基於低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh所帶來的溫度差對工作材料造成之磁力矩而間接沿旋轉方向RD3(由低溫部份往高溫部份之 方向)轉動，更可利用到低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh流動時所帶來的動能以及位能推動鰭片結構360，達到更佳的能量轉換效果。有關第三實施例中其他細部結構與運作方法與前述實施例大致相同，可參考前述實施例中的對應內容，在此不另贅述。
第4圖為一示意圖繪示根據本發明之第四實施例中一種熱磁引擎400其內部的主要結構。如第3圖所示，熱磁引擎400中的低溫工作流體饋入端420a、高溫工作流體饋入端420b分別沿垂直方向、水平方向將低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh導引至轉動框442的不同位置。
於第四實施例中，轉動件440不僅基於低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh所帶來的溫度差對工作材料造成之磁力矩而間接沿旋轉方向RD4(由低溫部份往高溫部份之方向)轉動，設置於轉動框442上的鰭片結構460可基於低溫工作流體Lc、高溫工作流體Lh流動時帶來的位能與動能帶動轉動件440沿旋轉方向RD4轉動，達到更佳的能量轉換效果。有關第四實施例中其他細部結構與運作方法與前述實施例大致相同，可參考前述實施例中的對應內容，在此不另贅述。
如第1圖到第4圖所示，轉動件可為垂直旋轉式與水平旋轉，此外，轉動件亦可為傾斜式的旋轉，例如轉動件的轉動軸可與鉛直線夾30度角，亦可達到相似效果。另一方面，工作流體的配置除上述實施例中的側向流道、垂直向下流道、水平流道之外，亦可採用其他各種具相等性可在磁性材料上建立溫度差的流動方式。
請一併參閱第5圖，第5圖為一示意圖繪示根據本發明之第五實施例中一種熱磁引擎500其內部的主要結構。如圖所示，熱磁引擎500位置固定的固定件520(於此例中固定件520包含低溫工作流體饋入端520a、高溫工作流體饋入端520b、磁性固定軛522a、磁性固定軛522b以及磁性固定軛522c)、轉動件540以及鰭片結構560。
須特別說明的是，於此例中轉動件540包含轉動框542a、轉動框542b、轉動框542c、各轉動框各自的複數個連接部544(此實施例為3個)以及轉動軸546，轉動軸546大致通過該等轉動框542a、542b、及542c之中心點，轉動軸546透過對應之複數個連接部544依序與轉動框542a、542b、及542c連接，轉動軸546樞接於固定件520的樞接軸孔(未繪示)或樞接座(未繪示)上，低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh依序流經該等轉動框542a、542b、及542c，鰭片結構560分別設置於該等轉動框542a、542b、及542c上。
於此實施例中，轉動件540中的轉動框542a、542b、及542c及鰭片結構560的至少一部份可由工作材料製成。於本發明中，熱磁引擎500的磁性固定軛522a、522b、及522c當中包含磁性元件(如暫時性的磁鐵或永久性的磁石)，該等磁性元件並用以建立磁場，該等磁場的磁力線分別通過轉動框542a、542b、及542c上的工作材料。
低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh依序流經該等轉動框542a、542b、及542c使轉動件540(包含轉動框542a、轉動框542b、轉動框542c、連接部544以及轉動軸546) 形成溫度差，並因該等工作材料本身材料特性對應該溫度差產生磁性之變化或差異，進而帶動該等轉動框542a、542b、及542c轉動，最終，帶動該轉動件540轉動。此外，更因低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh流動時帶來的動能及位能推動鰭片結構560，加強轉動件540的轉動。
須補充的是，低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh隨時間流過三個轉動框542a、542b、及542c上的工作材料時，其工作溫度可能因此改變，例如溫度逐漸降低。於此實施例中，轉動框542a、542b、及542c至少一部份分別由不同的工作材料製成。因為，特定成份且特定比例的工作材料具有一臨界溫度區間，在該臨界溫度區間附近，工作材料之導磁率受溫度變化影響的程度最大。
本實施例中，透過不同的工作材料的材料選擇或比例，使轉動框542a、542b、及542c上工作材料形成由高至低的臨界溫度區間，藉此使不同的轉動框542a、542b、及542c之工作材料各自具有相異的臨界溫度區間(由高至低)，例如，以對應工作流體的溫度改變。反之，當工作流體的溫度改變為由低至高時，轉動框542a、542b、及542c之工作材料則相對應調整。
於第五實施例中，轉動件540不僅基於低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh所帶來的溫度差，使工作材料產生磁力矩變化或差異而間接轉動，更可利用到低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh流動所帶來的動能以及位能推動鰭片結構560，達到更佳的能量轉換效果。此外，透過多層的轉動框(於此例中為三層轉動框542a、542b、及542c， 但本發明並不以此為限)可更有效率地利用低溫工作流體Lc與高溫工作流體Lh所帶的溫度差及動能與位能。
在本發明的第五實施例中，已揭露了具有多重轉動框的熱磁引擎，可以重覆利用同一流道的工作流體或如前述多個流道內的同一或不同工作流體，達到較高的使用效率。上述多個流道內的同一或不同工作流體，係指使同一流體經由多個流道分別導引至熱磁引擎，或者係指使不同工作流體經由不同流道分別導引至熱磁引擎，其配置可依實際工作材料之溫度需求，或其他設計理由作適應性調整，為此領域具通常知識者所能輕易思及之應用與置換，理應非為限制本發明。然而在更大型的引擎或發電應用當中(例如海洋溫差發電、溫泉水力溫差發電或其他具相等或類似性質的發電應用等)，為了有足夠大的能量輸出以達到一定的經濟規模，複數個熱磁引擎亦可被整合設置為同一流道的不同位置形成熱磁引擎系統，請一併參閱第6圖，第6圖為一示意圖繪示根據本發明之第六實施例中一種熱磁引擎系統600之主要結構。
如第6圖所示，第六實施例中一種熱磁引擎系統600包含了兩組熱磁引擎(602,604)，熱磁引擎602與熱磁引擎604依序設置於流道606上。
其中熱磁引擎602與熱磁引擎604分別包含各自的固定件620a、620b、轉動件640a、640b以及鰭片結構660a、660b。轉動件640a、640b其包含工作材料，並且轉動件640a、640b可相對固定件620a、620b旋轉。鰭片結構660a、660b設置於轉動件640a、640b上，如上述第一至第五實 施例等所示，此不贅述。
工作流體L1在流道606內流動並依序流經熱磁引擎602與熱磁引擎604之轉動件640a、640b，並使工作材料具有溫度差，工作材料因溫度差產生磁力矩(變化或差異)，間接帶動轉動件640a、640b沿旋轉方向RD6旋轉，且鰭片結構660a、660b用以基於工作流體L1流動所帶來之動能或位能帶動熱磁引擎602與熱磁引擎604之轉動件660a、660b沿旋轉方向RD6進行旋轉。此實施例中工作流體L1例如為液體或類似之流體。
此外，因工作流體L1係隨時間依序流過熱磁引擎602與熱磁引擎604，其工作溫度可能因此改變，例如溫度逐漸降低等等。於此實施例中，熱磁引擎602與熱磁引擎604上採用的工作材料製成，可分別設計具有不同的臨界溫度區間。
熱磁引擎602與熱磁引擎604的臨界溫度區間可分別根據工作流體L1流過時的溫度加以調整，使熱磁引擎602與熱磁引擎604上的工作材料之導磁率受溫度變化影響的程度最大。
此外，於大型的熱磁引擎系統600中，個別熱磁引擎(如熱磁引擎602或604)中的轉動件640a、640b進一步包含複數個轉動框以及一個轉動軸，轉動軸大致通過該等轉動框之中心點並依序與該等轉動框連接，轉動軸樞接於固定件上，工作流體L1依序流經該等轉動框，鰭片結構660a、660b分別設置於該等轉動框上，上述多重轉動框的架構以於稍早第五實施例中有類似性的敘述，在此不另贅述。
此外，於第6圖中，熱磁引擎系統600僅繪示一種工作流體L1，可利用該工作流體L1與環境溫度之間的溫度差異，在熱磁引擎602或604的轉動件640上形成溫度差。但本發明並不以此為限。於另一實施例中，熱磁引擎系統600可進一步包含工作流體L1之外的另一工作流體(未繪示)，且另一工作流體與工作流體L1之間具有溫度差。其中，另一工作流體可在流道606外流動，當工作流體L1流經該轉動件的至少一部份(於此實施例中為轉動框的底部)時，另一流體可流經轉動件的其他部分，例如轉動框的側面或頂部等。另一實施例中，如第6圖所示，另一工作流體L2可為氣體或類似之流體流經轉動件640a、640b的頂部，藉以帶動機械能轉換裝置(如熱磁引擎602或604的轉動件640上的鰭片或風車)，提供熱磁引擎系統額外的驅動力。藉此，在轉動件640a、640b的不同位置上形成溫度差。上述各工作流體可分別為水性液體、油性液體、沙或氣體。
此外，在上述實施例中可發現，熱磁引擎主要根據工作材料在不同溫度下的導磁率變化來產生動能，另一方面，磁場通過不同溫度狀態下的工作材料亦會產生磁通量變化，若能有效利用此一磁通量變化便可依電磁感應產生電能。
請一併參閱第7圖，第7圖為一示意圖繪示根據本發明之第七實施例中一種熱磁引擎700其內部的主要結構。熱磁引擎700包含位置固定的固定件720、可相對轉動的轉動件740以及鰭片結構760。轉動件740其包含工作材 料，並且轉動件740可相對固定件720旋轉。鰭片結構760設置於轉動件740上。
須特別注意的是，在此實施例的熱磁引擎700中，鰭片結構760所包含複數個鰭片762係分別由工作材料製成。熱磁引擎700更包含複數個線圈780、複數個整流子(未繪示)以及至少一電刷(未繪示)，該等線圈780分別纏繞於對應之該等鰭片762上且分別與對應之該等整流子電性連接，電刷設置於固定件720上，當該轉動件740沿一旋轉方向RD7旋轉時，該至少一電刷用以自該等線圈780收集電能。如此一來，本發明的熱磁引擎700有效率地利用工作流體所帶的熱能(溫度差與磁力矩)、動能與位能，便可一併利用到工作材料上磁通量變化的特性。關於熱磁引擎700中其他內部結構的細節可參考第一至第四實施例的說明內容，在此不另贅述。
綜上所述，本發明提出一種熱磁引擎及其系統，其中熱磁引擎中包含有鰭片結構，鰭片結構設置在熱磁引擎中的轉動件上，當工作流體流經轉動件時，不僅因溫度差使含有工作材料的轉動料受磁力影響開始轉動，同時也因為工作流體所帶有的動能或位能，使鰭片結構基於工作流體之動能或位能帶動轉動件沿旋轉方向旋轉。如此一來，便可更加全面性地利用工作流體所具有的各種能量。
在前述實施例中，鰭片結構及其上之鰭片或可自轉動軸增厚之一側面延伸設置，亦即，一增厚之轉動軸除可作為轉軸用途，亦兼具前述轉動框及連接部的結構與作用，並使鰭片結構及其上之鰭片自此特殊轉動軸增厚之一側面 延伸設置，達到簡化結構設計之目的。
在前述實施例中，鰭片與低溫工作流體、高溫工作流體流經轉動框時之流道方向夾一特定角度，舉例來說，其間之特定角度亦可大致夾90度、45度或其他特定角度；在90度的實施例中，鰭片承受高溫流體及/或低溫流體最大衝擊之正向力，可較佳轉換流體之動能及/或位能而帶動旋轉；在45度的實施例中，鰭片與流體有較大之接觸面積與時間，且仍保留部份流體衝量之影響。
在前述實施例中，該特定角度可由數種方式達成，例如使用含有萬向接頭之流體噴嘴，使便於調整上述低溫工作流體、高溫工作流體之流向；例如使用分流的方式，同時提供單一流體或多流體自多流道方向流經鰭片及/或鰭片結構；例如使用額外的風機或其他機械能轉換裝置，提供本發明之熱磁引擎額外的轉動推力。
此外，於本發明中鰭片結構可經過抗腐蝕處理，以確保鰭片結構在各種工作流體的(物理)沖擊或(化學)作用之下，能保有較長的使用壽命與穩定性。抗腐蝕處理包括將鰭片結構被覆隔離保護層、電化學防蝕、腐蝕抑制劑、防蝕金屬或其組合。而本發明中的低溫工作流體與高溫工作流體可分別為水性液體、油性液體、沙或氣體，但不應以此為限。
此外，於本發明中工作材料例如可為磁冷材料(magneto-caloric material)或對溫度敏感的導磁性材料(temperature-sensitive magnetic-conducting material)或具有居禮轉換溫度之磁性材料(magnetic material having Curie transition Temperature,Tc)。該磁冷材料例如為FeRh、Gd5Si2Ge2、Gd5(Si1-xGex)4、RCo2、La(Fe13-xSix)、MnAs1-xSbx、MnFe(P,As)、Co(S1-xSex)2、NiMnSn、MnCoGeB、R1-xMxMnO3,(where R=lanthanide,M=Ca,Sr and Ba)...等，本說明書無法窮舉工作材料，但任何具有居禮溫度Tc，且在該居禮溫度Tc溫度區間以外兩側具有相異磁性質，如順磁性與反磁性，之材料宜為本發明適用之工作材料，但不應以此為限。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧熱磁引擎
120‧‧‧固定件
120a‧‧‧低溫工作流體饋入端
120b‧‧‧高溫工作流體饋入端
122‧‧‧磁性固定軛
140‧‧‧轉動件
142‧‧‧轉動框
144‧‧‧連接部
146‧‧‧轉動軸
160‧‧‧鰭片結構
162‧‧‧鰭片結構
RD1‧‧‧旋轉方向
200‧‧‧熱磁引擎
220‧‧‧固定件
220a‧‧‧低溫工作流體饋入端
220b‧‧‧高溫工作流體饋入端
222‧‧‧磁性固定軛
240‧‧‧轉動件
242‧‧‧轉動框
244‧‧‧連接部
246‧‧‧轉動軸
260‧‧‧鰭片結構
262‧‧‧鰭片
264‧‧‧鰭片
RD2‧‧‧旋轉方向
300‧‧‧熱磁引擎
320‧‧‧固定件
320a‧‧‧低溫工作流體饋入端
320b‧‧‧高溫工作流體饋入端
322‧‧‧磁性固定軛
340‧‧‧轉動件
342‧‧‧轉動框
342a‧‧‧內環
342b‧‧‧外環
344‧‧‧連接部
346‧‧‧轉動軸
360‧‧‧鰭片結構
362‧‧‧鰭片
364‧‧‧鰭片
RD3‧‧‧旋轉方向
400‧‧‧熱磁引擎
420‧‧‧固定件
420a‧‧‧低溫工作流體饋入端
420b‧‧‧高溫工作流體饋入端
422‧‧‧磁性固定軛
440‧‧‧轉動件
442‧‧‧轉動框
444‧‧‧連接部
446‧‧‧轉動軸
460‧‧‧鰭片結構
462‧‧‧鰭片
RD4‧‧‧旋轉方向
500‧‧‧熱磁引擎
520‧‧‧固定件
520a‧‧‧低溫工作流體饋入端
520b‧‧‧高溫工作流體饋入端
522a‧‧‧磁性固定軛
522b‧‧‧磁性固定軛
522c‧‧‧磁性固定軛
540‧‧‧轉動件
542a‧‧‧轉動框
542b‧‧‧轉動框
542c‧‧‧轉動框
544‧‧‧連接部
546‧‧‧轉動軸
560‧‧‧鰭片結構
600‧‧‧熱磁引擎系統
602‧‧‧熱磁引擎
604‧‧‧熱磁引擎
606‧‧‧流道
620a、620b‧‧‧固定件
640a、640b‧‧‧轉動件
660a、660b‧‧‧鰭片結構
RD6‧‧‧旋轉方向
700‧‧‧熱磁引擎
720‧‧‧固定件
740‧‧‧轉動件
760‧‧‧鰭片結構
762‧‧‧鰭片
780‧‧‧線圈
Lc‧‧‧低溫工作流體
Lh‧‧‧高溫工作流體
L1、L2‧‧‧工作流體
RD7‧‧‧旋轉方向
P1‧‧‧第一部份
P2‧‧‧第二部份
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為一側視示意圖繪示根據本發明之第一實施例中一種熱磁引擎其內部的主要結構；第2圖為一側視示意圖繪示根據本發明之第二實施例中一種熱磁引擎其內部的主要結構；第3圖為一側視示意圖繪示根據本發明之第三實施例中一種熱磁引擎其內部的主要結構；第4圖為一示意圖繪示根據本發明之第四實施例中一種熱磁引擎其內部的主要結構；第5圖為一示意圖繪示根據本發明之第五實施例中一種熱磁引擎其內部的主要結構；第6圖為一示意圖繪示根據本發明之第六實施例中一種熱磁引擎系統之主要結構；以及第7圖為一示意圖繪示根據本發明之第五實施例中一種熱磁引擎其內部的主要結構。
100‧‧‧熱磁引擎
120‧‧‧固定件
120a‧‧‧低溫工作流體饋入端
120b‧‧‧高溫工作流體饋入端
122‧‧‧磁性固定軛
140‧‧‧轉動件
142‧‧‧轉動框
144‧‧‧連接部
146‧‧‧轉動軸
160‧‧‧鰭片結構
162‧‧‧鰭片結構
RD1‧‧‧旋轉方向
Lc‧‧‧低溫工作流體
Lh‧‧‧高溫工作流體
P1‧‧‧第一部份
P2‧‧‧第二部份

Claims (24)

  1. 一種熱磁引擎，包含：一固定件，包含一磁性元件，該磁性元件設置於該固定件上並用以建立一磁場；一轉動件，該轉動件之材質為一工作材料，該轉動件可相對該固定件旋轉，該工作材料在不同溫度下具有不同導磁率；第一工作流體，流經該轉動件並使該工作材料產生一溫度差，當該磁場之磁力線通過該工作材料，該工作材料基於該溫度差具有不同導磁率而被該磁場帶動，使該轉動件沿一旋轉方向旋轉；以及一鰭片結構，設置於該轉動件上，基於該第一工作流體之流動，帶動該轉動件沿該旋轉方向旋轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，其中該工作材料包含第一部份以及第二部份，該第一工作流體之第一溫度異於環境之第二溫度，該第一工作流體流動至該工作材料之該第一部份，使該工作材料之該第一部份與該第二部份之間形成該溫度差。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，更包含第二工作流體，其中該工作材料包含第一部份以及第二部 份，該第一工作流體流動至該工作材料之該第一部份，該第二工作流體流動至該工作材料之該第二部份。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之熱磁引擎，其中該第一工作流體之第一溫度與該第二工作流體之第二溫度相異，藉此使該工作材料之該第一部份與該第二部份之間形成該溫度差。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之熱磁引擎，其中該工作材料之一導磁率於一臨界溫度區間明顯改變，該第一溫度與該第二溫度分別位於該臨界溫度區間以外之兩側。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之熱磁引擎，其中該工作材料之一導磁率於一臨界溫度區間明顯改變，該第一溫度與該第二溫度分別位於該臨界溫度區間以外之兩側。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，其中該轉動件包含一轉動軸，該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片由該轉動軸之至少一側表面上延伸設置，該等鰭片與該第一工作流體流經該轉動件之一流道方向大致夾 90度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，其中該轉動件包含一轉動框以及一轉動軸，該轉動軸與該轉動框連動並樞接於該固定件上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之熱磁引擎，其中該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片由該轉動框之至少一側表面上延伸設置，該等鰭片與該第一工作流體流經該轉動件之一流道方向大致夾90度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之熱磁引擎，其中該轉動框包含一內環以及一外環，該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片分別連接於該內環與該外環之間，該等鰭片與該第一工作流體流經該轉動件之一流道方向夾一特定角度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之熱磁引擎，其中該特定角度為大致夾45度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，其中該轉動件包含複數個轉動框以及一轉動軸，該轉動軸大致通過 該等轉動框之一中心點並依序與該等轉動框連接，該轉動軸樞接於該固定件上，該第一工作流體依序流經該等轉動框，該鰭片結構設置於該等轉動框上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之熱磁引擎，其中該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片分別設置於該等轉動框上。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之熱磁引擎，其中該等轉動框至少一部份由工作材料製成，該等轉動框之工作材料各自具有相異的臨界溫度區間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，其中該鰭片結構經一抗腐蝕處理。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之熱磁引擎，更包含複數個線圈、複數個整流子以及至少一電刷，其中該鰭片結構包含複數個鰭片，該等鰭片分別由該工作材料製成，該等線圈分別纏繞於該等鰭片上且分別與該等整流子電性連接，該電刷設置於該固定件上。
  17. 一種熱磁引擎系統，包含： 複數個熱磁引擎，該等熱磁引擎依序設置於一流道上，其中每一熱磁引擎包含：一固定件，包含一磁性元件，該磁性元件設置於該固定件上並用以建立一磁場；一轉動件，該轉動件之材質為一工作材料，並可相對該固定件旋轉，該工作材料在不同溫度下具有不同導磁率；以及一鰭片結構，設置於該轉動件上；以及第一工作流體，在該流道內流動並依序流經該等熱磁引擎之該等轉動件並使該等工作材料具有一溫度差，當該磁場之磁力線通過該工作材料，該工作材料基於該溫度差具有不同導磁率被該磁場帶動，使該等轉動件沿一旋轉方向旋轉，其中該鰭片結構用以基於該第一工作流體之流動，帶動該等熱磁引擎之該轉動件沿該旋轉方向旋轉。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之熱磁引擎系統，其中該轉動件進一步包含複數個轉動框以及一轉動軸，該轉動軸大致通過該等轉動框之一中心點並依序與該等轉動框連接，該轉動軸樞接於該固定件上，該第一工作流體依序流經該等轉動框，該鰭片結構分別設置於該 等轉動框上，於該磁場作用下該工作材料基於該溫度差帶動該轉動件沿該旋轉方向旋轉。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之熱磁引擎系統，其中該等轉動框至少一部份由該工作材料製成。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之熱磁引擎系統，其中該轉動件的至少一部份設置於該流道中，使該第一流體流經該轉動件的至少一部份。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之熱磁引擎系統，更包含第二工作流體在該流道外流動，當該第一工作流體流經該轉動件的至少一部份時，該第二工作流體流經該轉動件的其他部分。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之熱磁引擎系統，其中該第一工作流體與該第二工作流體具有一溫度差。
  23. 如申請專利範圍第17項所述之熱磁引擎系統，其中該第一工作流體為水性液體、油性液體、沙或氣體。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之熱磁引擎系統，其中該 第二工作流體為水性液體、油性液體、沙或氣體。
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